W założeniu samolot miał spełniać rolę bombowca nurkującego, dlatego w dźwigarach skrzydeł na dolnej powierzchni zamontowano wysuwane kraty hamujące, jednak ze względu na brak przeszkolenia pilotów w technice bombardowań z lotu nurkowego były one wykorzystywane jak dotychczas – bombardując z lotu poziomego. W trakcie prób w 1940 roku uzyskano zauważalną poprawę osiągów – prędkość maksymalna wyniosła 480 km/h na wysokości 4700 m, prędkość przelotowa natomiast wynosiła 340 km/h. Pułap praktyczny wyniósł 10 100 m przy czasie wznoszenia 7,25 min na wysokość 5000 m. Była to ostatnia odmiana wyprodukowana w większej ilości (ok. 250 sztuk). W trakcie jej trwania zdążono wymienić jeszcze śmigła WISz-2 o dwu pozycjach nastaw na śmigła WISz-22 z automatyczną zmianą skoku. Późniejsza eksperymentalna odmiana „B” (SBB-1) pomimo lepszych osiągów nie została wprowadzona do produkcji seryjnej, ze względu na rozwój i produkcję nowej konstrukcji – bombowca Petlakowa Pe-2.
Całkowita produkcja SB-2 wyniosła 6967 egzemplarzy, najważniejszą wersją zaś był SB-2bis z różnymi silnikami i zbiornikami paliwa o większej pojemności. Wśród innych wersji był bombowiec nurkujący z silnikami Klimow M-105R o mocy 1100 KM oraz 111 zbudowanych na licencji w Czechosłowacji samolotów Avia B-71.